基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统及方法

摘要

本发明提出了一种基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统及其实现方法，要解决的技术问题是提高跳频通信系统在复杂电磁环境下的抗干扰能力。本发明通过在跳频通信系统发射端利用多路跳频载频同时对同一发射信号进行跳频调制，在接收端则利用与发射端相对应的多路跳频载频分别对接收到的混合信号进行解跳，从而得到多路混合信号，然后再利用盲源分离算法对这些混合信号进行信号和干扰的盲分离，得到信号后再对信号进行解调最终得到源信号。采用本发明能在不增加传统的跳频通信系统发射天线数目和接收天线数目的基础上，利用单通道盲源分离技术分离出源信号和干扰，从而大大增强跳频通信系统的通信效能，提高其在复杂电磁环境下的抗干扰能力。

说明书

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，涉及跳频通信系统及方法，具体涉及一种 基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统及方法。

背景技术

在现代通信系统中，由于各种无线设备（如雷达、卫星通信、移动通信、 导航等）的辐射功率越来越大，种类和数目越来越多，频谱越来越宽，使得无 线设备所处的电磁环境日趋复杂。

无线设备在通信过程中往往会受到各种干扰的影响，而干扰信号对于通信 系统来说往往是随机的、未知的甚至是恶意的。在众多抗干扰技术中，扩谱通 信技术由于抗干扰能力强、信息隐蔽性好、频谱利用率高和易于组网等独特的 优点一直备受关注，自上个世纪50年代中期以来，扩谱通信技术被广泛应用 于军事通信、移动通信、电子对抗以及导航测量等各个领域，也是目前各种军 事、民用通信广泛采用的基本抗干扰技术体制。目前使用较多的扩谱方法有直 接序列扩谱和跳频扩谱，传统的跳频扩谱通信系统一般利用跳频频率随机改变 来躲避干扰，当在跳频时隙内干扰也恰好位于跳频频率则干扰有效，结构图如 图1所示，图中略去了各级滤波、采样、功放和同步等过程的表示。然而，随 着新军事变革和通信干扰、抗干扰技术的发展以及军事通信网系运用的需求， 常规的跳频抗干扰理论在军事通信领域面临着许多新的挑战，不再适应于通信 网络及网系抗干扰的要求，更难以实现高效抵抗人为恶意干扰和动态干扰、全 频带阻塞式干扰等，因此，必须研究开发对恶劣电磁环境具有较强适应能力的 新型跳频通信系统，以应对日益严重的干扰威胁。

盲源信号分离是指在源信号和混合系统参数未知的情况下，根据输入源信 号和混合系统的统计特性等先验知识，仅由观测信号恢复出各个源信号的过 程。这里所谓的“盲”包含了两层含义：一是源信号是未知的；二是混合过程 是未知的。作为一种崭新的技术手段，盲源信号分离理论为解决抗干扰问题提 供了一种全新的解决思路。近年来，盲源信号分离理论取得了长足发展，已广 泛的应用在图像处理、生物医学信号分析、声纳、雷达以及地震信号处理等众 多领域。在跳频通信系统中，如果把接收机接收到的信号认为是跳频通信信号 和干扰信号在传输过程中混合的信号，则从接收信号中分离出感兴趣的有用信 号从而实现抗干扰过程就是一个典型的盲分离系统。传统的盲源信号分离要求 事先已知源信号或干扰信号的数目，然后在接收端利用不少于该数目的接收天 线分别接收多组混合信号再进行盲源分离，从而得到己方的有用信号，此即所 谓的正定或超定混合信号的盲分离。而当接收端接收的混合信号的数目少于源 信号和干扰信号的数目时，就称为欠定混合信号的盲分离。显然，与正定或超 定混合信号盲分离相比，欠定混合信号盲分离要困难的多，而作为欠定混合信 号盲分离的极端条件，仅利用一根天线同时来接收源信号和干扰信号的情况称 为单通道混合信号盲分离，是盲信号处理研究的难点和热点之一。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于多路跳频的 单通道盲源分离抗干扰通信系统及方法，在不增加跳频通信系统发射天线数目 和接收天线数目的基础上，有效增强跳频通信系统的通信效能，提高其在复杂 电磁环境下的抗干扰能力。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一 种基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统，包括信号发射端和信号接 收端，所述信号发射端包括信源、第一副载波生成器、数据调制器、n路跳频 载波产生装置、n路跳频调制装置和发射天线，所述n为大于1的正整数；

所述信源产生源信号并将所述源信号传输给所述数据调制器，所述第一副 载波生成器用于生成副载波并将所述副载波传输给所述数据调制装置，所述数 据调制装置用于对所述源信号和所述副载波进行调制从而输出经数据调制后 的源信号；

所述n路跳频载波产生装置中的第i路跳频载波产生装置包括第i路跳频 图案生成器和第i路频率合成器，所述第i路跳频图案生成器用于根据第i路 跳频时间序列{t_i}和第i路伪随机序列{pn_i}生成第i路跳频图案并传输给所述第 i路频率合成器，所述第i路频率合成器用于根据所述第i路跳频图案产生第i 路跳频载波，其中可通过调整输入的伪随机序列{pn_i}使得这n路跳频载波的频 率互不相同，所述数据调制信号分别与所述第i路跳频载波进行跳频调制，总 共产生n路跳频调制信号，合成后通过所述发射天线发射，所述i=1、…、n；

所述接收端包括接收天线、n路跳频载波产生装置、n路跳频解跳装置、 盲源信号分离器、信号/干扰判定器、第二副载波生成器、数据解调器等；

所述接收天线用于接收原始混合信号并将原始混合信号分别传输给所述n 路跳频解跳装置；

所述n路跳频载波产生装置中的第i路跳频载波产生装置包括第i路跳频 图案生成器和第i路频率合成器，所述第i路跳频图案生成器用于根据第i路 跳频时间序列和第i路伪随机序列生成跳频图案并传输给所述第i路频 率合成器，所述第i路频率合成器用于根据所述跳频图案产生第i路跳频载波， 所述n路跳频解跳装置中的第i路跳频解跳装置利用第i路跳频载波产生装置 产生的跳频载波对由接收天线接收的原始混合信号分别进行解跳，总共产生n 路解跳后的混合信号，其中第i路跳频时间序列由接收机同步模块产生， 应与发射机的第i路跳频时间序列{t_i}一致，第i路伪随机序列与发射机的 第i路伪随机序列{pn_i}一致，所述i=1、…、n；

所述盲源信号分离器根据所接收的n路解跳后混合信号利用盲源分离算 法对信号和干扰进行分离，所述信号判定器用于接收并判断所述分离后的信号 是干扰信号还是有效信号并将有效信号传输给所述数据解调器，所述数据解调 器根据所述第二副载波生成器产生的载波信号进行解调，从而输出源信号。

本发明的基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统解决了单通道 盲源分离中最为关键的“单路变多路”技术难题，在不增加发射天线和接收天 线数目的基础上进一步提高了跳频通信系统的抗干扰能力。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一 种基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信方法，包括如下步骤：

S1：信号发射端的n路跳频调制装置分别对数据调制器输出的调制后源信 号进行跳频调制，输出n路跳频调制信号；

S2：将所述n个跳频调制信号通过发射机的发射天线进行发射；

S3：接收天线接收混合信号并将所述混合信号分别传输给n路跳频解跳装 置；

S4：所述n路跳频解跳装置分别对接收到的混合信号进行解跳，得到n 路解跳后混合信号；

S5：盲源分离器利用盲源分离算法对所述n路解跳后混合信号进行盲源分 离，对分离出的信号经数据解调后得到源信号。

本发明的基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信方法利用n路跳频 调制装置将1路源信号变多路输出，解决了单通道盲源分离中最为关键的“单 路变多路”技术难题，在不增加发射天线和接收天线数目的基础上进一步提高 了跳频通信系统的抗干扰能力。

在本发明的一种优选实施例中，所述n为2。

在本发明的另一种优选实施例中，所述的盲源分离算法为基于信号和干扰 服从不同统计分布原理而设计的盲信号处理算法，包括在线和批处理两类算法 以及两类算法的结合，包括等变自适应分解EASI算法，fastICA算法、基于 负熵的ICA算法，极大似然ICA算法，过完备ICA算法，核心独立成分分析 算法，自然梯度Flexible ICA算法、非负ICA算法、约束ICA算法、参考ICA 算法。

在本发明的再一种优选实施例中，在跳频调制时，n路跳频载波的频率之 间为固定间隔或随机间隔；在解跳时，n路解跳载波的频率之间为固定间隔或 随机间隔。

在本发明的一种优选实施例中，在跳频调制时，n路跳频载波的频率分布 在同个跳频信道内或分布在不同的跳频信道；在解跳时，n路解跳载波的频率 分布在同个跳频信道内或分布在不同的跳频信道内。

在本发明的另一种优选实施例中，在跳频调制时，跳频载波为随机相位或 连续相位；在解跳时，解跳载波为随机相位或连续相位。

在本发明的再一种优选实施例中，数据调制器和数据解调器的调制方式为 BFSK方式，MFSK方式，MPSK方式，DPSK方式，ASK方式，MSK方式， OFDN方式之一。

在本发明的一种优选实施例中，在利用解跳载波解跳后，数据解调方式为 相干解调或非相干解调。

本发明的意义在于:

将单通道盲源分离技术引入到了跳频通信系统中，既充分利用了传统跳频 通信系统的抗干扰原理和跳频图案等信息，又结合了盲源分离算法对统计独立 信号的强大的分离能力，在不增加发射天线和接收天线数目的基础上进一步提 高了跳频通信系统的抗干扰能力；

在传统的跳频通信系统的基础上，通过增加若干路跳频载波分别对发送信 号进行跳频调制和解跳，将由一根接收天线接收到的混合信号分为多路，解决 了单通道盲源分离中最为关键的“单路变多路”的技术难题。

本发明中提出的跳频通信系统具有传统跳频通信系统的所有功能，当干扰 不强时可以工作在传统的跳频通信模式下，当干扰增强以致传统模式不能满足 应用时则可以工作在盲源分离模式下，因而在干扰方判别干扰效果时具有一定 的电磁欺骗性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中 将变得明显和容易理解，其中：

图1是传统的跳频通信系统示意图；

图2是本发明基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统结构示意 图；

图3是本发明基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统发射端示 意图。

图4是本发明基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统接收端示 意图。

图5是本发明的一种优选实施例基于双路跳频的单通道盲源分离抗干扰 通信系统示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元 件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能 理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两 个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本 领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统，其整 体构成如图2所示，其中干扰可以表示单个干扰源，也可以表示由若干个干扰 等效的总干扰。该多路跳频通信系统包括信号发射机和信号接收机两部分内 容。图2中的发射机示意图如图3所示，图2中的接收机示意图如图4所示， 其中在图3和图4中均略去了各级滤波、采样、功放和同步等过程的表示。如 图3所示中（b）所示，发射机包括信源、第一副载波发生器、调制器、n路 跳频载波产生装置、n路跳频调制装置和发射天线等，n为大于1的正整数， 在本实施方式中，n为2，3，4或5，在本发明一种更加优选的实施方式中，n 为2，如图5所示。信源用于接收源信号并将所述源信号传输给所述调制器， 所述第一副载波生成器用于生成数据载波信号并将所述载波信号传输给所述 调制器，所述数据调制器用于对所述源信号和所述副载波进行调制从而输出数 据调制信号；如图3所示中（a）所示，所述n路跳频载波产生装置中第i路 跳频载波产生装置的第i路跳频跳频图案生成器用于根据第i路跳频时间序列 {t_i}和第i路伪随机序列{pn_i}生成跳频图案并传输给所述第i路频率合成器，所 述第i路频率合成器用于根据所述跳频图案产生第i路跳频载波，其中可通过 调整输入的伪随机序列{pn_i}使得这n路跳频载波的频率互不相同，所述数据调 制信号分别与所述第i路跳频载波进行跳频调制，总共产生n路跳频调制信号， 合成后通过所述发射天线发射，所述i=1、…、n。如图4所示中（b）所示， 所述接收端包括接收天线、n路跳频载波产生装置、n路跳频解跳装置、盲源 信号分离器、信号/干扰判定器、第二副载波发生器、数据解调器等；所述接 收天线用于接收原始混合信号并将原始混合信号分别传输给所述n路跳频解 跳装置。如图4所示中（a）所示，所述n路跳频载波产生装置中的第i路跳 频载波产生装置中的第i路跳频载波产生装置包括第i路跳频图案生成器和第 i路频率合成器，所述第i路跳频图案生成器用于根据第i路跳频时间序列和 第i路伪随机序列生成跳频图案并传输给所述第i路频率合成器，所述第 i路频率合成器用于根据所述跳频图案产生第i路跳频载波，所述n路跳频解 跳装置中的第i路跳频解跳装置利用第i路跳频载波产生装置产生的跳频载波 分别对由接收天线接收的原始混合信号进行解跳，总共产生n路解跳后的混合 信号，其中第i路跳频时间序列由接收机同步模块产生，应与发射机的第i 路跳频时间序列{t_i}一致，第i路伪随机序列与发射机的第i路伪随机序列 {pn_i}一致，所述i=1、…、n；所述盲源信号分离器根据所接收的n路解跳后 混合信号利用盲源分离算法对信号和干扰进行分离，所述信号判定器用于接收 并判断所述分离后的信号是干扰信号还是有效信号并将有效信号传输给所述 数据解调器，所述数据解调器根据所述第二副载波发生器产生的载波波信号进 行解调，从而输出源信号。

在本发明的一种优选实施方式中，如图5所示，n为2，图中略去了各级 滤波、采样、功放和同步等过程的表示。信号由信源发出后，在本发明另外的 优选实施方式中，也可以对信号进行信源、信道编码、加密等预处理，具体方 法可以采用现有技术中的方法进行。信号由信源发出后首先按照某种调制方 式，具体可以为经典的BFSK，也可为MPSK、DPSK、MSK、OFDN等其他 调制方式，经过数据调制后分别进行跳频调制，即与各自的跳频载波进行混频、 滤波和功放后通过发射机天线发射，其中产生跳频载波时要求两路跳频载波的 频率有一定的差异，这两路跳频载波可以均为随机的，即分别受各自的跳频图 案控制，也可以以其中一个跳频图案为基准，其他跳频图案由该图案经一定的 平移产生，也即两路跳频载频之间为固定的频差；在信号接收端，接收天线接 收到混合有干扰的混合信号后，首先利用与发射端相对应的两路跳频载波分别 对混合信号进行解跳，得到两路解跳后的混合信号，然后将其送入盲源分离器， 利用盲源分离算法对这两路混合信号进行分离，在分离出的信号和干扰中判别 出信号，经拼接后再对信号进行解调，即可得到所需要的信息。在本实施方式 中，如果有编码和加密则还需要进行解码和解密，然后再对信号进行解调。

本发明的基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信系统解决了单通道 盲源分离中最为关键的“单路变多路”技术难题，在不增加发射天线和接收天 线数目的基础上进一步提高了跳频通信系统的抗干扰能力。

本发明还提供了一种基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信方法，包 括如下步骤：

S1：信号发射端的n路跳频调制装置分别对数据调制器输出的调制后源信 号进行跳频调制，输出n路跳频调制信号；

S2：将所述n个跳频调制信号通过发射机的发射天线发射；

S3：接收天线接收混合信号并将所述混合信号分别传输给n路跳频解跳装 置；

S4：所述n路跳频解跳装置分别对接收到的混合信号进行解跳，得到n 路解跳后混合信号；

S5：盲源分离器利用盲源分离算法对所述n路解跳后混合信号进行盲源分 离，对分离出的信号经数据解调后得到源信号。

本发明的基于多路跳频的单通道盲源分离抗干扰通信方法利用n路跳频 调制装置将一路源信号变多路输出，解决了单通道盲源分离中最为关键的“单 路变多路”技术难题，在不增加发射天线和接收天线数目的基础上进一步提高 了跳频通信系统的抗干扰能力。

在本实施方式中，盲源分离算法为基于信号和干扰服从不同统计分布原理 而设计的盲信号处理算法，包括在线和批处理两类算法以及两类算法的结合， 其中盲分离算法可以为等变自适应分解算法（EASI算法），也可以为各类独立 分量分析算法，如基于负熵的固定点盲分离算法（fast-ICA算法）、极大似然 ICA算法、过完备ICA算法、核心独立成分分析算法（KICA算法）、自然梯 度Flexible ICA算法、非负ICA算法、约束ICA算法（CICA算法）以及参考 ICA算法（ICA-R算法）及其改进算法或者不同算法的结合等。

在本实施方式中，在跳频调制时，n路跳频载波的频率之间为固定间隔或 随机间隔；在解跳时，n路解跳载波的频率之间为固定间隔或随机间隔。具体 n路跳频载波的频率间隔由n路跳频调制装置生成的跳频图案决定；n路解跳 信号的频率间隔由n路跳频解跳装置生成的跳频图案决定。

在本实施方式中，在跳频调制时，n路跳频载波的频率分布在同个跳频信 道内或分布在不同的跳频信道；在解跳时，n路解跳载波的频率分布在同个跳 频信道内或分布在不同的跳频信道内，需要说明的是，跳频信道是本领域通用 技术术语，在此不作赘述。

在本实施方式中，在跳频调制和解跳时，跳频载波为随机相位或连续相位。 发射端n路跳频载波的频率与接收端n路跳频载波的频率一一对应。

在本实施方式中，数据调制器和解调器的调制方式为BFSK方式，MFSK 方式，MPSK方式，DPSK方式，ASK方式，MSK方式，OFDN方式之一。

在本发明的一种优选实施例中，接收机在利用跳频载波解跳后，数据解调 器对解跳后源信号进行解调，数据解调方式为相干解调或非相干解调。

本发明在不增加跳频通信系统发射天线数目和接收天线数目的基础上，通 过构造多路跳频通信系统，在发射端同时利用多个跳频载频分别对同一待发射 信号进行调制，在接收端再利用对应的多个跳频载频分别对接收到的混合信号 进行解跳，从而实现单根天线接收多路混合信号，最后再利用盲源信号分离技 术对接收到的混合信号进行盲源分离，经解调后得到源信号。本发明能够有效 增强跳频通信系统的通信效能，提高其在复杂电磁环境下的抗干扰能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特 征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明 书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描 述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中 以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理 解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。